TWI834359B - 應用於鋁電池的負極結構 - Google Patents

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Abstract

一種應用於鋁電池的負極結構，包括孔洞材料層以及金屬鍍層。金屬鍍層位於孔洞材料層上，以使鋁電池的電容量衰退率小於5%/圈。

Description

應用於鋁電池的負極結構
本發明是有關於一種應用於鋁電池的負極結構。
鋁電池作為電化學儲能元件，具有安全性好及成本低等優點。進一步而言，鋁電池的電容量衰退率會受到負極上的溶鋁反應的速率所影響，又前述溶鋁反應的速率與負極結構息息相關，因此如何設計出較佳的負極結構，以提升鋁電池於電容量衰退率上的表現實為一種挑戰。
本發明提供一種應用於鋁電池的負極結構，其可以提升鋁電池於電容量衰退率上的表現且易於規模化生產。
本發明的一種應用於鋁電池的負極結構，包括孔洞材料層以及金屬鍍層。金屬鍍層位於孔洞材料層上，以使鋁電池的電容量衰退率小於5%/圈。
在本發明的一實施例中，上述的金屬鍍層於孔洞材料層上的重量大於2mg/cm 2。
在本發明的一實施例中，上述的金屬鍍層於孔洞材料層上的重量小於100mg/cm 2。
在本發明的一實施例中，上述的孔洞材料層的比表面積介於100m 2/g至3000m 2/g之間。
在本發明的一實施例中，上述的孔洞材料層的材料包括活性碳、天然石墨、人造石墨、石墨烯、碳黑、軟碳、硬碳、介相石墨碳微球或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的金屬鍍層為鋁金屬鍍層。
在本發明的一實施例中，上述的金屬鍍層藉由離子液體電鍍於孔洞材料層上。
在本發明的一實施例中，上述的離子液體包括鋁鹽類離子液體。
在本發明的一實施例中，上述的金屬鍍層位於鋁電池的正極結構與孔洞材料層之間。
在本發明的一實施例中，上述的正極結構包括插層材料。
基於上述，本發明應用於鋁電池的負極結構藉由孔洞材料層與金屬鍍層之複合電極設計，可以增加負極結構表面的反應點位數量，因此可以提升鋁電池於電容量衰退率上的表現(小於5%/圈)且易於規模化生產。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在下文中詳細闡述本發明的實施例。然而，該些實施例為示範性的，本發明並非僅限於此，且本發明由申請專利範圍的範圍界定。
以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。
本文所使用之方向用語(例如，上、下、右、左、前、後、頂部、底部)僅作為參看所繪圖式使用且不意欲暗示絕對定向。
除非另有定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。
圖1A是依照本發明的一實施例的負極結構應用於鋁電池的示意圖。圖1B是金屬鍍層於孔洞材料層上的不同重量的電容量衰退率的數據圖。圖2是依照本發明的一實施例的負極結構的製造示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的負極結構應用於鋁電池的測試示意圖。
請參考圖1A、圖1B、圖2與圖3，在本實施例中，應用於鋁電池100的負極結構110包括孔洞材料層111以及金屬鍍層112，其中金屬鍍層112位於孔洞材料層111上，以使所述鋁電池的電容量衰退率小於5%/圈。據此，本實施例應用於鋁電池100的負極結構110藉由孔洞材料層111與金屬鍍層112之複合電極設計，可以增加負極結構110表面的反應點位數量，因此可以提升鋁電池100於電容量衰退率上的表現(小於5%/圈)且易於規模化生產。
在一些實施例中，孔洞材料層111可以是高比表面積材料，其中孔洞材料層111的比表面積例如是介於100m 2/g至3000m 2/g之間，由於孔洞材料層111具有孔洞結構與高比表面積等特性，而金屬鍍層112披覆於孔洞材料層111上，因此能使活性物質更有效地進行氧化還原電化學反應，但本發明不限於此。
在一些實施例中，孔洞材料層111的材料包括活性碳、天然石墨、人造石墨、石墨烯、碳黑、軟碳、硬碳、介相石墨碳微球或其組合，且金屬鍍層112為鋁金屬鍍層，但本發明不限於此，孔洞材料層111亦可以使用其他適宜的非碳系孔洞材料。
在一些實施例中，如圖2所示，金屬鍍層112可以藉由離子液體103電鍍於孔洞材料層111上。進一步而言，當金屬鍍層112為鋁金屬鍍層時，離子液體103可以包括鋁鹽類離子液體，如此一來，當電流A流至孔洞材料層111時，藉由式(1)：4Al 2Cl 7 -+3e-→Al+7AlCl 4 -的反應，將離子10(Al 2Cl 7 -)轉換離子20(AlCl 4 -)，以利用鋁鹽類離子液體於孔洞材料層111上電鍍均勻鋁金屬鍍層。在此，孔洞材料層111可以設置於電鍍裝置的陰極，鋁箔101可以設置於電鍍裝置的陽極，以將鋁金屬電鍍於孔洞材料層111上，但本發明不限於此。
在一些實施例中，金屬鍍層112可以位於鋁電池100的正極結構120與孔洞材料層111之間，且正極結構120與負極結構110之間具有電解液130，其中正極結構120與電解液130可以依照實際設計上的需求進行選擇，本發明不加以限制。
在一些實施例中，金屬鍍層112於孔洞材料層111上的重量大於2mg/cm 2，且金屬鍍層112於孔洞材料層111上的重量小於100mg/cm 2，舉例而言，如圖1B所示，當金屬鍍層112為鋁金屬鍍層時，鍍鋁量為0 mg/cm 2(亦即沒有形成金屬鍍層112)時，鋁電池的電容量衰退率為5%/圈；當鍍鋁量為4.27 mg/cm 2時，鋁電池的電容量衰退率為1%/圈(小於5%/圈)；當鍍鋁量為8.54 mg/cm 2與14.93 mg/cm 2時，鋁電池的電容量衰退率為0%/圈(小於5%/圈)，也就是說，電容量衰退率的改善程度與金屬鍍層112於孔洞材料層111上的重量呈現正相關。
在此，圖1B的鋁電池的正極結構是使用石墨結構，電解液是使用氯鋁酸根離子液體，而其他未說明的組成與規格應是本發明所屬領域的普通技術人員可以依據任何涵蓋包含在隨附申請專利範圍的精神及範圍內的內容所得。此外，圖1B的實驗數據例如是藉由圖3的測試裝置所得，其中圖3的測試裝置藉由固定件102(例如是載玻片)固定鋁電池100的負極結構110、正極結構120、電解液130之間的間距且可固定住負極結構110、正極結構120的位置，以進行測試。
在一些實施例中，當正極結構120為插層材料，電解液130為鹵化鋁與咪唑氯鹽，金屬鍍層112為鋁金屬鍍層時，放電時在負極結構110表面上會進行大量溶鋁反應，藉由式(2)：Al+7AlCl 4 -→4Al 2Cl 7 -+3e-的反應，金屬M將離子20(AlCl 4 -)轉換為離子10(Al 2Cl 7 -)，如此一來，可以大幅改善僅使用碳系材料作為鋁電池負極，表面無鋁源使溶鋁反應慢，導致正極活物無法完全脫層，使電容量衰退的問題，也就是說，藉由高比表面積的孔洞材料層111與金屬鍍層112之複合電極設計，可以提升負極結構110的溶鋁量，以與正極結構120脫層出來的離子20(AlCl 4 -)反應形成離子10(Al 2Cl 7 -)，因此正極結構120的層間距中的離子20(AlCl 4 -)可以脫層並實質上不殘留於層間距中，改善溶鋁速率小於正極脫層速率時，導致放電時有過多活物殘留於層間距，影響下一次充電時正極可插層的活物數量，使電量逐圈衰退的問題，亦即之後充放電時活物可插層的數量可以維持不變，而有效改善電容量衰退的情況。
綜上所述，本發明的應用於鋁電池的負極結構藉由孔洞材料層與金屬鍍層之複合電極設計，可以增加負極結構表面的反應點位數量，因此可以提升鋁電池於電容量衰退率上的表現(小於5%/圈)且易於規模化生產。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20:離子 101:鋁箔 102:固定件 103:離子液體 100:鋁電池 110:負極結構 111:孔洞材料層 112:金屬鍍層 120:正極結構 130:電解液 A:電流 M:金屬
圖1A是依照本發明的一實施例的負極結構應用於鋁電池的示意圖。 圖1B是金屬鍍層於孔洞材料層上的不同重量的電容量衰退率的數據圖。 圖2是依照本發明的一實施例的負極結構的製造示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的負極結構應用於鋁電池的測試示意圖。
10、20:離子
100:鋁電池
110:負極結構
111:孔洞材料層
112:金屬鍍層
120:正極結構
130:電解液
A:電流
M:金屬

Claims (9)

  1. 一種負極結構，應用於鋁電池，其包括：孔洞材料層，其中所述孔洞材料層的材料包括活性碳、天然石墨、人造石墨、碳黑、軟碳、硬碳、介相石墨碳微球或其組合；以及金屬鍍層，位於所述孔洞材料層上，以使所述鋁電池的電容量衰退率小於5%/圈。
  2. 如請求項1所述的負極結構，其中所述金屬鍍層於所述孔洞材料層上的重量大於2mg/cm2。
  3. 如請求項2所述的負極結構，其中所述金屬鍍層於所述孔洞材料層上的重量小於14.93mg/cm2。
  4. 如請求項1所述的負極結構，其中所述孔洞材料層的比表面積介於100m2/g至3000m2/g之間。
  5. 如請求項1所述的負極結構，其中所述金屬鍍層為鋁金屬鍍層。
  6. 如請求項1所述的負極結構，其中所述金屬鍍層藉由離子液體電鍍於所述孔洞材料層上。
  7. 如請求項6所述的負極結構，其中所述離子液體包括鋁鹽類離子液體。
  8. 如請求項1所述的負極結構，其中所述金屬鍍層位於所述鋁電池的正極結構與所述孔洞材料層之間。
  9. 如請求項8所述的負極結構，其中所述正極結構包括插層材料。
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